DE3819205C2

DE3819205C2 - Bearing of a rotor with a large radial expansion

Info

Publication number: DE3819205C2
Application number: DE3819205A
Authority: DE
Inventors: Udo Joerg Dr Ing Bichler
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1987-12-12
Filing date: 1988-06-06
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2008-06-07
Also published as: DE3819205A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagerung eines Rotors mit großer radialer Ausdehnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.The invention relates to a bearing of a rotor with a large radial extent according to the features of claim 1.

Aus der DE-OS 32 43 641 ist bekannt, daß für Rotoren, die gegenüber ihrer axialen Länge eine große radiale Ausdehnung aufweisen, mechanische Lager, aber auch elektrodyna mische Magnetlager verwendbar sind und daß man die Kippachsen des Rotors regeln kann, um zum einen Störmomenten und Eigenschwingungen wirksam begegnen zu können, zum anderen um bestimmte Momente zu erzeugen, die in der Art von Kreiselmomenten eine Schwenkung des Rotors zu bewirken.From DE-OS 32 43 641 it is known that for rotors that are opposite their axial length have a large radial expansion, mechanical bearings, but also electrodyna Mix magnetic bearings can be used and that you can control the tilting axes of the rotor in order to be able to effectively counter interference torques and natural vibrations, on the one hand others in order to generate certain moments, one in the manner of gyroscopic moments To cause pivoting of the rotor.

Aus der DE-OS 32 40 809 ist ein Magnetlager bekannt, bei dem der Luftspaltdurchmesser groß gegenüber der axialen Länge des Lagers ist. Der Rotor ist durch zumindest auf der Rotorseite angeordnete Permanentmagnete radial passiv gelagert, während die axiale Lage des Rotors durch eine Regeleinrichtung aktiv geregelt wird. Zur Bestimmung der axialen Lage des Rotors sind mehrere Sensoranordnungen sowie zur Ausübung von Kräften auf den Rotor Regelverstärker und Wicklungen verwendet. Vier Sensoren sind auf zueinander und zur Drehachse senkrecht stehenden Sensorachsen jeweils paarweise diametral zur Drehachse liegend angeordnet. Es sind drei Regelverstärker vorgesehen, von denen dem ersten und zweiten jeweils die Differenz der Sensorsignale einander diametral gegen überliegender Sensoren und dem dritten die Summe aller Sensorausgangssignale zugeführt werden. Die Ausgänge der Regelverstärker sind mit Wicklungen derart verbunden und die Wicklungen derart angeordnet,
From DE-OS 32 40 809 a magnetic bearing is known in which the air gap diameter is large compared to the axial length of the bearing. The rotor is radially passively supported by permanent magnets arranged at least on the rotor side, while the axial position of the rotor is actively controlled by a control device. Several sensor arrangements are used to determine the axial position of the rotor, and control amplifiers and windings are used to exert forces on the rotor. Four sensors are arranged in pairs on each other and perpendicular to the axis of rotation lying diametrically to the axis of rotation. Three control amplifiers are provided, of which the difference between the sensor signals diametrically opposite one another is fed to the first and the second and the sum of all sensor output signals to the third. The outputs of the control amplifiers are connected to windings and the windings are arranged in such a way

- daß bei Ansteuerung des ersten bzw. zweiten Verstärkers auf den Rotor Rückstellmomente jeweils um diejenige Achse einwirken, die zu der zu gehörigen Sensorachse senkrecht liegt und - That when driving the first or second amplifier on the rotor Restoring torques act around the axis that leads to the associated sensor axis is perpendicular and
- daß bei Ansteuerung des dritten Verstärkers eine axiale Rückstellkraft auf den Rotor einwirkt.- That when the third amplifier is actuated, an axial restoring force acts on the rotor.

Weiter ist aus dieser Schrift bekannt, daß die Eingangssignale des ersten und zweiten Energieverstärkers kreuzgekoppelt sind, d. h., ein Teil des Eingangssignals eines Ver stärkers wird dem Eingangssignal des anderen Verstärkers überlagert.It is also known from this document that the input signals of the first and second Energy amplifiers are cross-coupled, d. i.e., part of the input signal of a ver amplifier is superimposed on the input signal of the other amplifier.

Aus der DE-OS 32 41 507 ist ein Steuersystem für eine magnetische Lagereinrichtung mit einer Kreuzkopplung bekannt. Ziel dieser Kreuzkopplung ist es, Präzessions- und Nuta tionsschwingungen zu dämpfen.From DE-OS 32 41 507 a control system for a magnetic bearing device with a cross coupling known. The aim of this cross coupling is precession and nuta dampen tion vibrations.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Lagerung zu schaffen, die in einem weiten Drehzahlbereich und auch für sogenannte "mikro-g"-Umgebungen ohne Probleme anwend bar ist.The object of the invention is to provide a storage system that can be used in a wide range Speed range and also for so-called "micro-g" environments without problems is cash.

Diese Aufgabe wird jeweils durch die im ersten und im zweiten Patentanspruch angegebe nen Merkmale gelöst.This object is specified by the first and second claims Features resolved.

Vorteile dieser Erfindung bestehen in der Möglichkeit des aktiven Schwenkens der Kipp achsen zur Erzeugung von Drehmomenten in der zur Drehachse und zur aktiv geschwenk ten Kippachse senkrechten zweiten Kippachse ohne weiteren Aufwand durch das Regel prinzip, sowie in der Verwendung des Lagers bei Rotoren geringer Höhe.Advantages of this invention are the possibility of actively pivoting the tilt axes for generating torques in the direction of the axis of rotation and for the active pivoting th tilt axis vertical second tilt axis without further effort by the rule principle, as well as in the use of the bearing for rotors of low height.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der Beschreibung. So ergibt sich z. B. aus den Ansprüchen 4 bis 7 ein im Zusammenhang mit der Lagerung gemäß den Ansprüchen 1, 2, 3, 15 und 16 besonders günstiges Ausführungsbeispiel der Lagerung, welches aber auch unabhängig von den beschriebenen Regelungsmechanismen mit anderen Regelungsprinzipien verwendbar ist. Aus den Ansprüchen 21 und 22 ergibt sich eine durch eine Überwachungsschaltung mögliche Umschaltung bei einem fehlerhaften Abstandssensor oder bei einer fehlerhaften Regelspule, so daß die Funktionsfähigkeit der Lagerung auch nach dem Ausfall dieser Teile erhalten bleibt.Further advantages result from the subclaims and from the description. So z. B. from claims 4 to 7 in connection with the storage according to claims 1, 2, 3, 15 and 16 particularly favorable embodiment of the Storage, which is also independent of the regulatory mechanisms described can be used with other control principles. From claims 21 and 22 results a possible changeover by a monitoring circuit in the event of a fault Distance sensor or a faulty control coil, so that the functionality of the Storage is retained even after the failure of these parts.

Der Vorteil einer besonderen Ausführung der Erfindung gemäß Anspruch 23 besteht darin, daß die Regelung für das aktive Zentrallager umschaltbar ist. Sind starke radiale Störungen zu erwarten, wie sie bei Manövern eines Raumflugkörpers auftreten können, so wird eine "harte" Regelung verwendet.The advantage of a special embodiment of the invention according to claim 23 is that that the control for the active central warehouse is switchable. Are strong radial disturbances to be expected, as can occur during maneuvers of a spacecraft, is a "hard" regulation used.

Wird die Lagerung dagegen in "mikro-g"-Umgebung betrieben, so wird eine "weiche" Regelung bevorzugt.On the other hand, if the storage is operated in a "micro-g" environment, a "soft" Regulation preferred.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrere Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention is explained in more detail below using several exemplary embodiments.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Darstellung eines Schnitts durch die Achse eines Lagers mit Regel- und Steuereinheit, Fig. 1 is a representation of a section through the axis of a bearing with regulating and control unit,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1, Fig. 2 shows an enlarged detail from FIG. 1,

Fig. 3 die Lage von vier Regelspulen, Fig. 3 shows the location of four control coils,

Fig. 4 das detaillierte Regelprinzip der Lagerung in einem Blockschaltbild, mit nicht drehzahlabhängiger Änderung von Kippregler-Parametern, Fig. 4 shows the detailed control principle of storage, in a block diagram, with no speed-dependent change of parameters Kippregler

Fig. 5 das detaillierte Regelprinzip einer Weiterbildung in einem Blockschaltbild mit drehzahlabhängiger Änderung der Kippregler-Parameter, Fig. 5 shows the principle of a further detailed rule in a block diagram with speed-dependent change of the Kippregler parameters,

Fig. 6 eine Dämpferspule in einer Abwicklung, Fig. 6 is a damper coil in a processing,

Fig. 7 eine Weiterbildung des Lagers nach Fig. 1 mit einem aktiven Zentrallager, Fig. 7 shows a further embodiment of the bearing of Fig. 1 having an active central bearing,

Fig. 8 eine Schnittdarstellung durch das aktive Zentrallager nach Fig. 7 senkrecht zu dessen Achse und Fig. 8 is a sectional view through the active central warehouse of FIG. 7 perpendicular to its axis and

Fig. 9 das Regelprinzip für das Zentrallager. Fig. 9 shows the control principle for the central warehouse.

In Fig. 1 ist mit 1 der Stator, mit 10 der Rotor und mit 26 die Steuer- und Regeleinheit bezeichnet. In Fig. 1, 1 denotes the stator, 10 the rotor and 26 the control and regulating unit.

Der Stator 1 trägt zentral jeweils axial versetzt zwei axial magnetisierte Permanentmagnet ringe 2 bis 5 mit zugehörigen ringförmigen Jochplatten 6, 7 aus weichmagnetischem, hochpermeablem Material. Dazugehörige Rückschlußringe 8, 9 befinden sich auf dem Rotor 10 und bestehen ebenfalls aus weichmagnetischem, hochpermeablem Material. Die Permanentmagnetringe 2 bis 6 bilden zusammen mit den Jochplatten 6, 7 und den Rück schlußringen 8, 9 ein axial (in Z-Richtung) instabiles, radial (in X- und Y-Richtung) stabiles passives Magnetlager. Durch die Wahl geeigneter Verhältnisse von Durchmesser der Permanentmagnetringe 2 bis 5 und Weite der Luftspalte wird die passive Kippsteifigkeit zu Null eingestellt.The stator 1 carries centrally axially offset two axially magnetized permanent magnet rings 2 to 5 with associated annular yoke plates 6 , 7 made of soft magnetic, highly permeable material. Associated yoke rings 8 , 9 are located on the rotor 10 and are also made of soft magnetic, highly permeable material. The permanent magnet rings 2 to 6 form together with the yoke plates 6 , 7 and the back circuit rings 8 , 9 an axially (in the Z direction) unstable, radially (in the X and Y direction) stable passive magnetic bearing. The passive tilting stiffness is set to zero by the selection of suitable ratios of the diameter of the permanent magnet rings 2 to 5 and the width of the air gaps.

Am äußeren Umfang des Rotors 10 befinden sich zwei ringförmige Rotorluftspalte 14, 16.There are two annular rotor air gaps 14 , 16 on the outer circumference of the rotor 10 .

Der äußere Rotorluftspalt 16 dient zur Erzeugung von axialen Kräften (in Z-Richtung) und Drehmomenten (im α- und β-Drehsinn). Zu diesem Zweck befinden sich an der äußeren Begrenzungswand des Rotorluftspaltes 16 zwei entgegengesetzt radial magnetisierte Permanentmagnetringe 21, die einen magnetischen Fluß ϕR (siehe Fig. 2) in der dargestell ten Weise erzeugen. Am Stator 1 sind vier Regelspulen 17 bis 20 (siehe auch Fig. 3) angeordnet, die in den äußeren Rotorluftspalt 16 so eintauchen, daß sie sich größtenteils im Feld der Permanentmagnetringe 21 befinden. Die Regelspulen 17 bis 20 erstrecken sich jeweils über 90 Grad des mittleren äußeren Rotorluftspaltsumfangs.The outer rotor air gap 16 serves to generate axial forces (in the Z direction) and torques (in the α and β directions of rotation). For this purpose, there are two oppositely radially magnetized permanent magnet rings 21 on the outer boundary wall of the rotor air gap 16 , which generate a magnetic flux ϕR (see FIG. 2) in the manner shown. Four control coils 17 to 20 (see also FIG. 3) are arranged on the stator 1 and are immersed in the outer rotor air gap 16 in such a way that they are mostly in the field of the permanent magnet rings 21 . The control coils 17 to 20 each extend over 90 degrees of the mean outer circumference of the rotor air gap.

Der innere Rotorluftspalt 14 dient zur Erzeugung von axialen Drehmomenten (um die Z- Achse) und von radialen Kräften (in X- und Y-Richtung. Zu diesem Zweck befindet sich an der äußeren Begrenzungswand des inneren Rotorluftspalts 14 ein in Umfangsrichtung alternierend radial magnetisierter Permanentmagnetring 15. Am Stator 1 sind eine Dämp ferspule 11 und eine Motorspule 12 angeordnet, die in den inneren Rotorluftspalt 14 so eintauchen, daß sich nur die in Z-Richtung verlaufenden Spulenteile im Feld des Perma nentmagnetrings 15 befinden. Die Spulen 11, 12 erstrecken sich über den gesamten mittleren inneren Rotorluftspaltumfang. Zusammen mit dem Permanentmagnetring 15 bildet die Spule 12 einen eisenlosen, elektronisch zu kommutierenden Gleichstrommotor. The inner rotor air gap 14 serves to generate axial torques (about the Z axis) and radial forces (in the X and Y directions. For this purpose, a permanent magnet ring which is alternately radially magnetized in the circumferential direction is located on the outer boundary wall of the inner rotor air gap 14 15. On the stator 1 , a damping coil 11 and a motor coil 12 are arranged which are immersed in the inner rotor air gap 14 such that only the coil parts running in the Z direction are in the field of the permanent magnet ring 15. The coils 11 , 12 extend Together with the permanent magnet ring 15 , the coil 12 forms an ironless, electronically commutated DC motor.

Die Dämpferspule 11 ist kurzgeschlossen und so geschaltet, daß bei Drehung des Rotors 10 um die Drehachse kein bremsendes Drehmoment entsteht, jedoch bei einer trans latorischen Bewegung des Rotors 10 in X- oder Y-Richtung jeweils in der Dämpferspule 11 durch das Feld des Permanentmagnetsrings 15 Spannungen so induziert werden, daß Ströme und damit Kräfte entstehen, die der jeweiligen Bewegungsrichtung entgegen wirken. Die Dämpferspule 11 bildet daher zusammen mit dem Permanentmagnetring 15 eine passive radiale Dämpfungseinrichtung.The damper coil 11 is short-circuited and connected so that upon rotation of the rotor 10 about the rotational axis will be no braking torque, but at a trans latorischen movement of the rotor 10 in the X or Y direction in each of the damper coil 11 through the field of the permanent magnet ring 15 Tensions are induced in such a way that currents and thus forces arise which counteract the respective direction of movement. The damper coil 11 therefore forms, together with the permanent magnet ring 15, a passive radial damping device.

Die axiale Auslenkung des Rotors 10 in Z-Richtung wird von vier berührungslos arbeiten den Abstandssensoren 22 bis 25 erfaßt, die in jeweils 90 Grad Abstand auf der X- und Y- Achse des Stators angeordnet sind.The axial deflection of the rotor 10 in the Z direction is detected by four contactlessly working distance sensors 22 to 25 , which are each arranged at a distance of 90 degrees on the X and Y axes of the stator.

Durch geeignete Verknüpfung der Signale der vier Abstandssensoren 22 bis 25 in einer Additionseinheit 28 werden redundant die axiale Auslenkung z und beide Kippwinkel α und β des Rotors 10 gewonnen. Durch ein Umschaltsignal UM, das durch Plausibilitäts kontrolle der vier Abstandssensorsignale in einer Adaptions- und Überwachungseinheit 27 entsteht, wird im Falle einer Störung eines der vier Abstandssensoren 22 bis 25 auf eine Istwerterfassung mit den jeweils verbleibenden drei Abstandssensoren umgeschaltet, wobei die gleichen Eingangssignale α, β, z für in einem Block 29 zusammengefaßte Kippregler und einen Z-Regler 30 erzeugt werden müssen.By appropriately linking the signals of the four distance sensors 22 to 25 in an addition unit 28 , the axial deflection z and both tilt angles α and β of the rotor 10 are obtained redundantly. In the event of a fault, one of the four distance sensors 22 to 25 switches over to an actual value detection with the respectively remaining three distance sensors, with a switchover signal UM, which arises from a plausibility check of the four distance sensor signals in an adaptation and monitoring unit 27 , the same input signals α, β, z must be generated for a tilt controller and a Z controller 30 combined in a block 29 .

Der axiale Istwert z wird einem Z-Regler (Proportional-Differential-Regler mit überlager ter Zero-Power-Regelung) 30 zugeführt, der daraus ein axiales Stellsignal zr erzeugt.The axial actual value z is fed to a Z controller (proportional differential controller with superimposed zero power control) 30 , which generates an axial actuating signal zr therefrom.

Die beiden Kippwinkelistwerte α, β werden, mit den jeweiligen Sollwerten α_S, β_S verknüpft, den Kippreglern 29 zugeführt, die daraus die Signale α_r und β_r erzeugen.The two actual tilt angle values α, β, linked to the respective setpoint values α _S , β _S , are fed to the tilt controllers 29 , which use them to generate the signals α _r and β _r .

Die Ausgangssignale α_r und β_r der Kippregler 29 werden in einer Entkopplungseinrichtung 31, die die durch Kreiseleffekte verursachte Verkopplung der Kippungen um die Kipp achsen X, Y des Rotors aufhebt, zu den Signalen α_rep und β_rep verarbeitet. Die Parameter dieser Entkopplungseinrichtung 31 werden abhängig von der Drehzahl n des Rotors 10 verändert.The output signals α _r and β _{r of} the tilt controller 29 are processed in a decoupling device 31 , which cancels the coupling of the tilting caused by the gyro effects about the tilting axes X, Y of the rotor, to the signals α _rep and β _rep . The parameters of this decoupling device 31 are changed depending on the speed n of the rotor 10 .

Die Entkopplung kann in zwei unterschiedlichen Versionen ausgeführt werden. Eine Version bedingt, daß die Parameter der Kippregler 29 unabhängig von der Drehzahl n des Rotors 10 sind. Bei der anderen Version werden die Parameter der Kippregler 29 in Abhängigkeit von der Drehzahl n des Rotors 10 verändert. (In den Fig. 1 und 7 werden beide Versionen durch eine gestrichelte Linie vom Verzweigungspunkt n zu den Kipp reglern 29 dargestellt.)The decoupling can be carried out in two different versions. One version requires that the parameters of the tilt controller 29 are independent of the speed n of the rotor 10 . In the other version, the parameters of the tilt controller 29 are changed as a function of the speed n of the rotor 10 . (In FIGS. 1 and 7, both versions are represented by a dashed line from the branching point n to the tilt controllers 29. )

Durch eine geeignete Verknüpfung in einer Additionseinheit 32 werden aus den drei Signalen z_r, α_rep und β_rep redundant Sollwerte für vier um 90 Grad versetzte Kräfte be rechnet, die in Z-Richtung auf den Umfang des Rotors 10 wirken. Diese Kräfte werden dann mit Hilfe von stromeinprägenden Leistungsverstärkern 33 bis 36, die Ströme in den Regelspulen 17 bis 20 erzeugen, in Kräfte umgesetzt, so daß die gewünschten Axialkräfte und Kippmomente entstehen. Durch ein Umschaltsignal US, das durch Plausibilitätskon trolle der vier Spulenströme in der Adaptions- und Überwachungseinheit 27 entsteht, wird im Falle einer Störung in einem der vier Leistungsverstärker 33 bis 36 oder einer der vier Regelspulen 17 bis 20 auf eine Stromsteuerung mit den drei verbleibenden, funktions fähigen Leistungsverstärkern mit den zugehörigen Regelspulen umgeschaltet, wobei die Ströme nach dem Umschalten so bemessen sein müssen, daß unverändert Kippmomente bzw. axiale Kräfte auf den Rotor 10 ausgeübt werden. Zur Anpassung und Überwachung werden der Adaptions- und Überwachungseinheit 27 die Signale der Regelspulen 17 bis 20, der Abstandssensoren 22 bis 25, sowie die Sollwerte α_s, β_Szugeführt.By means of a suitable link in an addition unit 32 , setpoint values for four forces offset by 90 degrees are calculated from the three signals z _r , α _rep and β _rep , which act on the circumference of the rotor 10 in the Z direction. These forces are then converted into forces with the aid of current-impressing power amplifiers 33 to 36 , which generate currents in the control coils 17 to 20 , so that the desired axial forces and tilting moments arise. A switchover signal US, which is generated by the plausibility control of the four coil currents in the adaptation and monitoring unit 27 , is used in the event of a fault in one of the four power amplifiers 33 to 36 or one of the four control coils 17 to 20 to control the current with the three remaining, Functional power amplifiers switched with the associated control coils, the currents after switching must be dimensioned so that tilting moments or axial forces are exerted on the rotor 10 unchanged. For adaptation and monitoring, the signals from the control coils 17 to 20 , the distance sensors 22 to 25 , and the target values α _s , β _{S are} fed to the adaptation and monitoring unit 27 .

In Fig. 2 ist der linke Lagerteil der Schnittdarstellung des Lagers nach Fig. 1 detailliert gezeigt. Mit 14 und 16 sind die beiden ringförmigen Rotorluftspalte bezeichnet. In den inneren Rotorluftspalt 14 ragt die am Stator 1 befestigte Dämpferspule 11 und die ebenfalls am Stator 1 befestigte Motorspule 12 hinein. An der äußeren Begrenzungswand des inneren ringförmigen Motorluftspalts 14 befindet sich ein in Umfangsrichtung alternierend radial magnetisierter Permanentmagnetring 15, dessen magnetischer Fluß von der Dämp ferspule 11 und von der Motorspule 12 genutzt wird.In Fig. 2 the left bearing part of the sectional view of the bearing of Fig. 1 is shown in detail. The two annular rotor air gaps are designated by 14 and 16 . The damper coil 11 attached to the stator 1 and the motor coil 12 also attached to the stator 1 protrude into the inner rotor air gap 14 . On the outer boundary wall of the inner annular motor air gap 14 is a circumferentially alternating radially magnetized permanent magnet ring 15 , the magnetic flux of the damper coil 11 and the motor coil 12 is used.

Im äußeren ringförmigen Rotorluftspalt 16 sind die Regelspulen 17 bis 20 untergebracht. An der äußeren Begrenzungswand des äußeren Rotorluftspalts 16 sind übereinander zwei entgegengesetzt magnetisierte Permanentmagnetringe 21 angeordnet, die einen magneti schen Fluß ϕR erzeugen, der die Regelspulen 17 bis 20 durchsetzt.The control coils 17 to 20 are accommodated in the outer annular rotor air gap 16 . On the outer boundary wall of the outer rotor air gap 16 , two oppositely magnetized permanent magnet rings 21 are arranged one above the other, which generate a magnetic flux ϕR which passes through the control coils 17 to 20 .

Fig. 3 zeigt die vier Regelspulen 17 bis 20, die sich jeweils über 90° des äußeren Rotorluft spalts 16 erstrecken und so am Stator 1 befestigt sind, daß sich die Regelspulen 17 und 19 um 180° gegeneinander versetzt auf der X-Achse (siehe auch Fig. 1) und die Regelspulen 18 und 20 um 180° gegeneinander versetzt auf der Y-Achse (siehe auch Fig. 1) des Lagers befinden. Fig. 3 shows the four control coils 17 to 20 , which each extend over 90 ° of the outer rotor air gap 16 and are attached to the stator 1 so that the control coils 17 and 19 offset by 180 ° on the X axis (see also Fig. 1) and the control coils 18 and 20 offset from each other by 180 ° on the Y-axis (see also Fig. 1) of the bearing.

In der Zeichnung werden in den regelungstechnischen Blockschaltbildern Produkte der Zeitkonstanten mit der unabhängigen Variablen s der Laplace-Transformation als T₀s, T_as, T_es, T_rs und T_zs bezeichnet, wobei T₀ die Grund-Regler-Zeitkonstante, T_a die Axial- Regler-Zeitkonstante, T_e die Zeitkonstante des Entkopplungsintegrators, T_r die Gesamt- Regler-Zeitkonstante und T_z die Zero-Power-Regler-Zeitkonstante bezeichnet.In the drawing, products of the time constants with the independent variable s of the Laplace transformation are referred to as T ₀ s, T _a s, T _e s, T _r s and T _z s in the control block diagrams, where T _{0 is} the basic controller Time constant, T _a denotes the axial controller time constant, T _e the time constant of the decoupling integrator, T _r the total controller time constant and T _z the zero power controller time constant.

Fig. 4 zeigt das detaillierte Regelprinzip in einem Blockschaltbild mit nicht drehzahl abhängiger Änderung der Kippregler-Parameter. Die Signale der Abstandssensoren 22 bis 25 ergeben addiert die axiale Auslenkung z. Das Signal des Abstandssensors 24 minus dem Signal des Abstandssensors 22 ergibt den negativen Kippwinkel α (Additionspunkt b) und das Signal des Abstandssensors 23 minus dem Signal des Abstandssensors 25 ergibt den negativen Kippwinkel β (Additionspunkt c). Fig. 4 shows the detailed control principle in a block diagram with a non-speed-dependent change of the tilt controller parameters. The signals from the distance sensors 22 to 25 add up the axial deflection z. The signal of the distance sensor 24 minus the signal of the distance sensor 22 gives the negative tilt angle α (addition point b) and the signal of the distance sensor 23 minus the signal of the distance sensor 25 gives the negative tilt angle β (addition point c).

Die Signale der Abstandssensoren 22 bis 25 werden addiert (Additionspunkt a) und als axiale Absenkung z in dem Z-Regler 30, einem Proportional-Differential-Regler mit der Reglerverstärkung V_a, der Regler-Zeitkonstante T_a und zusätzlicher Zero-Power-Rege lung, bewirkt durch den mitgekoppelten Integrator 1/T_zs, zu dem Ausgangssignal z_r, verarbeitet, das gleichzeitig auf alle vier Leistungsverstärker 33 bis 36 gegeben wird, deren Ausgangssignale zu den Regelspulen 17 bis 20 geführt werden. Die Regelabweichungen der α- und β-Verschwenkungen werden von Kippreglern 29 (Proportional-Differential- Reglern) mit den Parametern V_r (Gesamt-Regler-Verstärkung) und T_r (Gesamt-Regler- Zeitkonstante) zu den Signalen α_r und β_r verarbeitet.The signals from the distance sensors 22 to 25 are added (addition point a) and as an axial reduction z in the Z controller 30 , a proportional differential controller with the controller gain V _a , the controller time constant T _a and additional zero power control tion, caused by the coupled integrator 1 / T _z s, processed to the output signal z _r , which is simultaneously applied to all four power amplifiers 33 to 36 , the output signals of which are fed to the control coils 17 to 20 . The control deviations of the α- and β-pivoting movements are of Kippreglern 29 (proportional-derivative controllers) with the parameters V _r (overall controller gain), and T _r (total Regulator time constant) to the signals α _r β and _r processed.

Die Ausgangssignale α_r und β_r der Kippregler werden durch eine integrierende, in ihrer Zeitkonstante T_n umgekehrt proportional nachgeführte, wechselseitig wirkende Vorwärts koppeleinrichtung in der Entkoppelungseinrichtung 31 miteinander verknüpft, die die durch die Kreiseleffekte verursachte Verkoppelung der Kippachsen X und Y des Rotors 10 aufhebt. Damit wird eine Nutationsschwingung verhindert; T_n = T_e/2πn.The output signals α _r and β _{r of} the tilting regulators are linked to one another by an integrating, mutually acting forward coupling device in the decoupling device 31 , whose time constant T _{n is} inversely proportional, and which eliminates the coupling of the tilting axes X and Y of the rotor 10 caused by the gyroscopic effects . This prevents nutation vibration; T _n = T _e / 2πn.

Die Integrationszeitkonstante T_e der Entkopplungseinrichtung 31 ist das Verhältnis von Axial- zu Kippträgheitsmoment des Rotors 10. Falls im Zentrallager (1 bis 10) eine passive Kippdämpfung existiert, so kann diese mit dem Faktor D berücksichtigt werden.The integration time constant T _{e of} the decoupling device 31 is the ratio of the axial to tilting moment of inertia of the rotor 10 . If passive tilt damping exists in the central warehouse ( 1 to 10 ), this can be taken into account with factor D.

Das passive Kippmoment des Zentrallagers (1 bis 10) wird, soweit vorhanden, durch den Faktor K_p, der aus der Kippauslenkung ein entsprechendes Gegenmoment ableitet, neutra lisiert. Damit wird eine Präzessionsschwingung verhindert. Eine nichtlineare Kippmoment charakteristik kann durch eine inverse Kennlinie K_p = f(α) bzw. K_p = f(β) kompensiert werden.The passive tipping moment of the central bearing ( 1 to 10 ), if available, is neutralized by the factor K _p , which derives a corresponding counter moment from the tipping deflection. This prevents a precession vibration. A nonlinear tilting moment characteristic can be compensated for by an inverse characteristic curve K _p = f (α) or K _p = f (β).

Über die Additionspunkte d, f und e, g werden die Signale α_rep und β_rep den entsprechenden Leistungsverstärkern 34, 35; 33, 36 und den Regelspulen 17, 19; 18, 20 zugeführt.Via the addition points d, f and e, g, the signals α _rep and β _{rep are sent to} the corresponding power amplifiers 34 , 35 ; 33 , 36 and the control coils 17 , 19 ; 18 , 20 supplied.

Fig. 5 zeigt das detaillierte Regelprinzip einer Weiterbildung in einem Blockschaltbild mit drehzahlabhängiger Änderung der Kippregler-Parameter. Das Regelprinzip nach Fig. 5 unterscheidet sich von dem Reglerprinzip nach Fig. 4 nur im Bereich der Kippregler 29 und der Entkopplungseinrichtung 31; deswegen wird hier nur auf die Unterschiede zur Fig. 4 eingegangen. Fig. 5 shows the detailed control principle shows a development in a block diagram with speed-dependent change of the Kippregler parameters. The control principle according to FIG. 5 differs from the control principle according to FIG. 4 only in the area of the tilting regulator 29 and the decoupling device 31 ; therefore only the differences from FIG. 4 are discussed here.

Die Regelabweichung der α- und β-Schwenkungen werden von nunmehr adaptiven Kip preglern 29 zu den Signalen αr und βr verarbeitet. Die Verstärkung v_r ∼ V₀ . n² dieser Kippregler wird proportional zum Quadrat der Drehzahl n verändert. Die Zeitkonstante T_r = T₀/n der Kippregler 29 wird umgekehrt proportional zur Drehzahl n nachgeführt. Damit werden jetzt die Kippregler 29 an die sich mit der Drehzahl n ändernden Eigen schaften der jetzt rückwärts-entkoppelten Entkopplungseinrichtung 31 angepaßt.The control deviation of the α and β swings are now processed by adaptive Kip preglers 29 to the signals αr and βr. The gain v _r ∼ V ₀ . n ² this tilt controller is changed proportionally to the square of the speed n The time constant T _r = T ₀ / n of the tilt controller 29 is tracked in inverse proportion to the speed n. So now the tilt controller 29 to the changing with the speed n changing properties of the now decoupled decoupling device 31 is adapted.

Die Kippregleradaption wird unterhalb einer Minimaldrehzahl UB ausgesetzt, die Para meter bleiben in diesem Bereich konstant, V_r = V₀, T_r = T₀.The tilt controller adaptation is exposed below a minimum speed UB, the parameters remain constant in this area, V _r = V ₀ , T _r = T ₀ .

Die Ausgangssignale α_r und β_r werden durch eine integrierende, in ihrer Zeitkonstante T_n umgekehrt drehzahlproportional nachgeführte, wechselseitige Rückwärtsverkoppelung miteinander verknüpft, die die durch die Kreiseleffekte verursachte Verkopplung der Kippachsen X und Y des Rotors 10 aufhebt. Damit wird eine Nutationsbewegung verhin dert; T_n = T_e/2πn. Die Integrationszeitkonstante T_e der Entkopplungseinrichtung 31 ist wiederum das Verhältnis von Axial- zu Kippträgheitsmoment des Rotors 10. Falls im Zentrallager (1 bis 10) eine passive Kippdämpfung existiert, so kann diese mit dem Faktor D berücksichtigt werden. Ein kleiner Anteil von D ist jedoch stets zur Vermeidung einer Dauerschwingung in der Entkopplungseinrichtung vorzusehen.The output signals α _r and β _r be an integrating, in their time constant T _n reversed speed-proportional tracked, reciprocal Rückwärtsverkoppelung linked, which cancels the coupling caused by the centrifugal effects of the pivot axes X and Y of the rotor 10th This prevents a nutation movement; T _n = T _e / 2πn. The integration time constant T _{e of} the decoupling device 31 is in turn the ratio of the axial to tilting moment of inertia of the rotor 10 . If passive tilt damping exists in the central warehouse ( 1 to 10 ), this can be taken into account with factor D. However, a small proportion of D must always be provided in the decoupling device to avoid continuous oscillation.

In Fig. 6 wird ein Ausführungsbeispiel einer Dämpferspule 11 in einer Abwicklung über 360° gezeigt. Mit 37 und 38 sind in diesem Beispiel zwei unabhängige mäanderförmige Drähte bezeichnet. Die Dämpferspule 11 kann auch aus jedem anderen geradzahligen Vielfachen von Drähten gebildet werden.In FIG. 6 shows an embodiment of a damper coil is shown in a development over 360 °. 11 In this example, 37 and 38 denote two independent meandering wires. The damper coil 11 can also be formed from any other even multiples of wires.

Die ansteigenden und abfallenden Anteile 40, 39 des Mäanders sind parallel zur Rotorachse ausgerichtet und im wesentlichen den alternierenden Permanentmagneten des Permanent magnetrings 15 gegenüber angeordnet. Die dazu senkrechten Anteile 41 des Mäanders verlaufen axial versetzt außerhalb der Permanentmagnete. Die Breite 42 eines Mäanders entspricht einer Polbreite eines Magneten des Permanentmagnetrings 15. The rising and falling portions 40 , 39 of the meander are aligned parallel to the rotor axis and essentially arranged opposite the alternating permanent magnets of the permanent magnet ring 15 . The perpendicular portions 41 of the meander run axially offset outside the permanent magnets. The width 42 of a meander corresponds to a pole width of a magnet of the permanent magnet ring 15 .

Auf dem 360°-Umfang der Dämpferspule 11 sind für beide Drähte 37, 38 jeweils zwei um 180° versetzte Mäander doppelter Breite 43, 44 vorgesehen, die von Draht 37 zu Draht 38 außerdem noch einen Versatz von 90° aufweisen. Hierdurch wird erreicht, daß die Mäan der von 0° bis 180° und von 180° bis 360° bei Draht 37 bzw. von 90° bis 270° und von 270° bis 90° bei Draht 38 unterschiedlichen Magnetpolen gegenüberstehen. Dadurch wird erreicht, daß die Dämpferspule 11 bei Drehung des Rotors 10 kein Bremsmoment, bei translatorischen Bewegungen des Rotors 10 jedoch eine Bremskraft erzeugt.On the 360 ° circumference of the damper coil 11 , two wires of double width 43 , 44 offset by 180 ° are provided for each of the wires 37 , 38 , which also have an offset of 90 ° from wire 37 to wire 38 . This ensures that the meander of 0 ° to 180 ° and from 180 ° to 360 ° for wire 37 or from 90 ° to 270 ° and from 270 ° to 90 ° for wire 38 face different magnetic poles. It is thereby achieved that the damper coil 11 generates no braking torque when the rotor 10 rotates, but generates a braking force during translatory movements of the rotor 10 .

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Weiterbildung des Lagers nach Fig. 1 mit aktivem Zentral lager. FIGS. 7 and 8 show a further embodiment of the bearing of Fig. 1 with an active central bearing.

Der Stator ist mit 1, der Rotor mit 10 und die Steuer- und Regeleinheit mit 26 bezeichnet.The stator is denoted by 1 , the rotor by 10 and the control and regulating unit by 26 .

Der Stator 1 trägt zentral ein aktives radiales Zentrallager 47 bis 52, welches in einem am Rotor 10 befestigten, kugelsymmetrischen, tonnenförmigen Körper 52 aus weichmagneti schem Material als magnetischem Rückschluß untergebracht ist. Die Tonnenform des Kör pers 52 hat den Schwerpunkt 45 des Rotors 10 als Mittelpunkt.The stator 1 bears an active radial central bearing 47 to 52 , which is accommodated in a ball-symmetrical, barrel-shaped body 52 attached to the rotor 10 and made of soft magnetic material as a magnetic yoke. The barrel shape of the body 52 has the center of gravity 45 of the rotor 10 as the center.

Am Stator 1 sind am äußeren Umfang, gegenüber dem Körper 52 vier Elektroden 46a bis 46d auf der X- und der Y-Achse um jeweils 90° versetzt angeordnet, die zusammen mit dem Rotor 10 und Jocheisen 47 bis 50 kapazitive Abstandssensoren bilden. Hierbei dienen die Jocheisen 47 bis 50 als Sendeelektroden, der Rotor 10 als Reflexionselektrode und die Elektroden 46a bis 46d als Empfangselektroden. Ebenfalls auf der X- und auf der Y-Achse sind vier um jeweils 90° versetzte Spulen 51a bis 51d angeordnet. Die Jocheisen 47 bis 50, die Spulen 51a bis 51d und der kugelsymmetrische tonnenförmige Körper 52 bilden vier um 90° versetzte, magnetisch getrennte Elektromagnet-Segmente, die paarweise gegen überliegend und unabhängig voneinander aktiviert werden können. Die magnetische Trennung kann z. B. dadurch erreicht werden, daß die Elektromagnet-Segmente durch Luftspalte 55 (Fig. 8) voneinander getrennt sind und der Lagerdorn 56 (Fig. 8) aus einem niedrigpermeablen Material hergestellt ist. The stator 1 52 Four electrodes 46 are disposed a to 46 d are added to the X and Y axis by 90 ° at the outer circumference relative to the body, which together with the rotor 10 and yokes 47 to 50 capacitive distance sensors. Here, the yokes 47 to 50 serve as transmitting electrodes, the rotor 10 as the reflection electrode and the electrodes 46 a to 46 d as the receiving electrodes. Also on the X- and the Y-axis four offset by 90 ° each coils 51 a are arranged to 51 d. The yokes 47 to 50 , the coils 51 a to 51 d and the spherically symmetrical barrel-shaped body 52 form four magnetically separated electromagnet segments which are offset by 90 ° and can be activated in pairs opposite one another and independently of one another. The magnetic separation can e.g. B. can be achieved in that the electromagnet segments are separated by air gaps 55 ( Fig. 8) and the bearing mandrel 56 ( Fig. 8) is made of a low-permeability material.

Eine radiale Bewegung des Rotors 10 gegenüber dem Stator 1 entlang der X- und/oder der Y-Achse wird durch die kapazitiven Sensoren 10, 46a bis 46d, 47 bis 50 aufgenommen und durch die Elektromagnet-Segmente 47 bis 50, 51a bis 51d, 52 zurückgestellt. Selbst verständlich können auch induktive Sensoren, optische Sensoren oder Sensoren, die auf einem anderen Meßprinzip beruhen, verwendet werden. Das axiale Stellsignal wird durch einen Z-Regler 54 erzeugt.A radial movement of the rotor 10 relative to the stator 1 along the X and / or the Y axis is recorded by the capacitive sensors 10 , 46 a to 46 d, 47 to 50 and by the electromagnet segments 47 to 50 , 51 a deferred to 51 d, 52 . Of course, inductive sensors, optical sensors or sensors based on a different measuring principle can also be used. The axial control signal is generated by a Z controller 54 .

Die Fig. 8 zeigt einen senkrecht durch die Drehachse geführten Schnitt des aktiven radialen Zentrallagers. Das am Stator 1 angebrachte, ruhende Teil des Zentrallagers besteht aus vier, z. B. durch Luftspalte 55 magnetisch voneinander getrennten 90°-Elektromagnet- Segmenten aus Jocheisen 47 bis 50, Spulen 61a bis 61d und einem im Zentrum des Rotors 10 befindlichen tonnenförmigen Körper 52 (Fig. 7) aus weichmagnetischem Material als magnetischem Rückschluß. Die Elektromagnet-Segmente 47, 51a, 52; 49, 51c, 52; 48, 51b, 52; 50, 51d, 52 sind ebenso wie die Elektroden 46a bis 46d symmetrisch um die X- und Y-Achse angeordnet, wobei der Schwerpunkt 45 den Mittelpunkt bildet. Der Lager dorn 56 ist zur magnetischen Trennung aus einem niedrigpermeablen Material, z. B. aus Aluminium, hergestellt. Fig. 8 shows a vertically guided by the rotation axis section of the active radial central bearing. The attached to the stator 1 , resting part of the central warehouse consists of four, z. B. by air gaps 55 magnetically separated 90 ° electromagnetic segments made of yokes 47 to 50 , coils 61 a to 61 d and a barrel-shaped body 52 located in the center of the rotor 10 ( FIG. 7) made of soft magnetic material as a magnetic yoke. The electromagnet segments 47 , 51 a, 52 ; 49 , 51 c, 52 ; 48 , 51 b, 52 ; 50 , 51 d, 52 , like the electrodes 46 a to 46 d, are arranged symmetrically about the X and Y axes, the center of gravity 45 forming the center. The bearing mandrel 56 is for magnetic separation from a low permeability material, for. B. made of aluminum.

Fig. 9 zeigt das Regelprinzip einer Achse des aktiven radialen Zentrallagers. Die Jocheisen 47, 49 werden von einem Oszillator 57 erregt. Die kapazitiven Sensoren 46a, 46c, 47, 49, 52 erfassen eine radiale Positionsänderung des Rotors 10 gegenüber dem Stator 1 als eine Kapazitätsänderung und führen sie einer Sensor-Auswertelektronik 70 zu. Als Lage- Istwert 58 des Sensorpaars 46a, 46c gelangt das Ausgangssignal der Sensor-Auswertelek tronik 70 zu der Eingangsbeschaltung C, R₁, 3R₁, S₁ eines Proportional-Differential- Reglers 69. Die Reglerparameter des Proportional-Differential-Reglers 69 können von einer übergeordneten Überwachungs- und Steuereinheit 60 zwischen "weicher" und "har ter" Regelung umgeschaltet werden. Dies ist dann von Vorteil, wenn starke radiale Störun gen erwartet werden sollen - hier wird ein "hartes" Regelverhalten bevorzugt - oder wenn Unwuchtstörungen nur in möglichst geringem Umfang auf den Stator übertragen werden sollen - hier wird ein "weiches" Regelverhalten bevorzugt. Das "harte" Regelverhalten wird dadurch erreicht, daß der Schalter S₁ geschlossen und der Schalter S₂ geöffnet wird. Das "weiche" Regelverhalten wird dadurch erreicht, daß der Schalter S₁ geöffnet und der Schalter S₂ geschlossen wird. Das Ausgangssignal des Proportional-Differential-Reglers 69 wird mit Hilfe der Funktionsblöcke 63, 68 alternativ auf einen der stromeinprägenden Leistungsverstärker 64, 65 gegeben, welche in den Spule 51a oder 51c radiale, auf den Rotor 10 wirkende Kräfte erzeugen. Fig. 9 shows the control principle of a radial axis of the active central bearing. The yokes 47 , 49 are excited by an oscillator 57 . The capacitive sensors 46 a, 46 c, 47 , 49 , 52 detect a radial change in position of the rotor 10 with respect to the stator 1 as a change in capacitance and lead it to a sensor evaluation electronics 70 . As the actual position value 58 of the sensor pair 46 a, 46 c, the output signal of the sensor evaluation electronics 70 arrives at the input circuit C, R ₁ , 3R ₁ , S _{1 of} a proportional differential controller 69 . The controller parameters of the proportional-differential controller 69 can be switched by a higher-level monitoring and control unit 60 between "soft" and "har ter" control. This is advantageous if strong radial disturbances are to be expected - a "hard" control behavior is preferred here - or if unbalance disturbances are to be transferred to the stator to the smallest possible extent - a "soft" control behavior is preferred here. The "hard" control behavior is achieved by closing switch S ₁ and opening switch S ₂ . The "soft" control behavior is achieved by opening switch S ₁ and closing switch S ₂ . The output signal of the proportional differential controller 69 is alternatively given with the help of the function blocks 63 , 68 to one of the current-impressing power amplifiers 64 , 65 , which generate radial forces acting on the rotor 10 in the coil 51 a or 51 c.

Claims

1. Lagerung eines Rotors, der eine große radiale Ausdehnung im Vergleich zu seiner axialen Ausdehnung hat, gegen einen Stator mit folgenden Merkmalen:

a) der Rotor (10) ist um aktuelle Kippachsen kippbar, die senkrecht zu seiner Drehachse (Z) verlaufen,
b) auf dem Rotor (10) sind koaxial zu seiner Drehachse zwei entgegengesetzt polarisierte Permanentmagnetringe (21) angeordnet,
c) den Permanentmagnetringen (21) benachbart sind auf dem Stator (1) Regel spulen (17 bis 20) um den Rotor (10) verteilt angeordnet, denen zwei zuein ander und auf der Drehachse (Z) senkrecht stehende Kippachsen (X bzw. Y) fest zugeordnet sind und die in Verbindung mit den Permanentmagnetringen (21) Momente auf den Rotor im Sinne einer Kippung um die fest zugeordneten Kippachsen ausüben können,
d) es sind Abstandssensoren (22 bis 25) um den Rotor verteilt vorgesehen, aus deren Meßwerten die Lage der aktuellen Kippachse und der zugehörige Kipp winkel des Rotors hervorgeht,
e) eine Steuer- und Regeleinheit (26) ist vorgesehen, die Proportional- Differential-Regler (29) und eine Entkopplungseinrichtung (31) aufweist zur Regelung des Stroms in jeder Regelspule (17 bis 20) in Abhängigkeit von der Lage der aktuellen Kippachse und dem zugehörigen Kippwinkel des Rotors, zur Stabilisierung oder Einstellung der Kipplage des Rotors, wobei
f) den Abstandssensoren (22 bis 25) die Proportional-Differential-Regler nach geschaltet sind, von denen
g) ein erster Proportional-Differential-Regler Ausgangssignale abgibt, die von Kippungen um eine der fest zugeordneten Kippachsen (X bzw. Y) verursacht sind, während ein zweiter Proportional-Differential-Regler Ausgangssignale abgibt, die von Kippungen um die andere fest zugeordnete Kippachse (Y bzw. X) verursacht sind,
h) die Ausgangssignale der Proportional-Differential-Regler die Eingangssignale der Entkopplungseinrichtung (31) sind,
i) die Ausgangssignale der Entkopplungseinrichtung (31, Fig. 4) derart zu den Ausgangssignalen der Proportional-Differential-Regler addiert werden, daß jeweils die Ausgangssignale eines der Proportional-Differential-Regler zu den über den anderen Proportional-Differential-Regler und die Entkopplungsein richtung geführten Ausgangssignalen unter Berücksichtigung des Vorzeichens zu einem Summensignal addiert werden,
j) die über die Entkopplungseinrichtung geführten Ausgangssignale der Proportional-Differential-Regler in der Entkopplungseinrichtung integriert werden mit einer Integrationszeitkonstante, die der Drehzahl des Rotors umgekehrt proportional ist, und
k) die Summensignale jeweils über Leistungsverstärker (33 bis 36) den Regel spulen (17 bis 20) zugeführt werden.

1. Bearing of a rotor, which has a large radial expansion in comparison to its axial expansion, against a stator with the following features:

a) the rotor ( 10 ) can be tilted about current tilting axes which are perpendicular to its axis of rotation (Z),
b) two oppositely polarized permanent magnet rings ( 21 ) are arranged on the rotor ( 10 ) coaxially with its axis of rotation,
c) the permanent magnet rings ( 21 ) are arranged on the stator ( 1 ) control coils ( 17 to 20 ) distributed around the rotor ( 10 ), two of which are perpendicular to each other and on the axis of rotation (Z) vertical tilt axes (X and Y ) are permanently assigned and which in connection with the permanent magnet rings ( 21 ) can exert moments on the rotor in the sense of a tilting around the permanently assigned tilting axes,
d) there are distance sensors ( 22 to 25 ) distributed around the rotor, the measured values of which indicate the position of the current tilt axis and the associated tilt angle of the rotor,
e) a control and regulating unit ( 26 ) is provided, which has proportional-differential regulators ( 29 ) and a decoupling device ( 31 ) for regulating the current in each regulating coil ( 17 to 20 ) depending on the position of the current tilting axis and the associated tilt angle of the rotor, for stabilizing or adjusting the tilt position of the rotor, wherein
f) the distance sensors ( 22 to 25 ) are connected to the proportional differential controllers, of which
g) a first proportional-differential controller outputs signals that are caused by tilting around one of the permanently assigned tilting axes (X or Y), while a second proportional-differential controller outputs output signals that result from tilting around the other permanently assigned tilting axis (Y or X) are caused
h) the output signals of the proportional differential controllers are the input signals of the decoupling device ( 31 ),
i) the output signals of the decoupling device ( 31 , Fig. 4) are added to the output signals of the proportional differential controller in such a way that the output signals of one of the proportional differential controllers to the other proportional differential controller and the decoupling directional output signals are added to a sum signal taking into account the sign,
j) the output signals of the proportional-differential controllers carried via the decoupling device are integrated in the decoupling device with an integration time constant which is inversely proportional to the speed of the rotor, and
k) the sum signals are supplied to the control coils ( 17 to 20 ) via power amplifiers ( 33 to 36 ).

2. Lagerung eines Rotors, der eine große radiale Ausdehnung im Vergleich zu seiner axialen Ausdehnung hat, gegen einen Stator mit folgenden Merkmalen:

a) der Rotor (10) ist um aktuelle Kippachsen kippbar, die senkrecht zu seiner Drehachse (Z) verlaufen,
b) auf dem Rotor (10) sind koaxial zu seiner Drehachse zwei entgegengesetzt polarisierte Permanentmagnetringe (21) angeordnet,
c) den Permanentmagnetringen (21) benachbart sind auf dem Stator (1) Regel spulen (17 bis 20) um den Rotor (10) verteilt angeordnet, denen zwei zuein ander und auf der Drehachse (Z) senkrecht stehende Kippachsen (X bzw. y) fest zugeordnet sind und die in Verbindung mit den Permanentmagnetringen (21) Momente auf den Rotor im Sinne einer Kippung um die fest zugeordneten Kippachsen ausüben können,
d) es sind Abstandssensoren (22 bis 25) um den Rotor verteilt vorgesehen, aus deren Meßwerten die Lage der aktuellen Kippachse und der zugehörige Kipp winkel des Rotors hervorgeht,
e) eine Steuer- und Regeleinheit (26) ist vorgesehen, die Proportional- Differential-Regler (29) und eine Entkopplungseinrichtung (31) aufweist zur Regelung des Stroms in jeder Regelspule (17 bis 20) in Abhängigkeit von der Lage der aktuellen Kippachse und dem zugehörigen Kippwinkel des Rotors, zur Stabilisierung oder Einstellung der Kipplage des Rotors, wobei
f) den Abstandssensoren (22 bis 25) die Proportional-Differential-Regler nach geschaltet sind, von denen
g) ein erster Proportional-Differential-Regler Ausgangssignale abgibt, die von Kippungen um eine der fest zugeordneten Kippachsen (X bzw. Y) verursacht sind, während ein zweiter Proportional-Differential-Regler Ausgangssignale abgibt, die von Kippungen um die andere fest zugeordnete Kippachse (Y bzw. X) verursacht sind,
h) bei den Proportional-Differential-Reglern (29) die Verstärkung und die Zeit konstante bis zu einer vorgegebenen Mindestdrehzahl des Rotors (10) kon stant ist und ab dieser Mindestdrehzahl die Verstärkung proportional zum Quadrat der Drehzahl des Rotors (10) und die Zeitkonstante umgekehrt pro portional zu dieser Drehzahl geändert wird,
i) die Ausgangssignale der Proportional-Differential-Regler jeweils Eingangs signale eines von zwei Addierern sind, dem zur Addition unter Berücksichti gung des Vorzeichens Signale von einem Ausgang der Entkopplungsein richtung (31) zugeführt sind, die vom anderen Addierer kommend über die Entkopplungseinrichtung (31) geführt sind,
j) die über die Entkopplungseinrichtung (31, Fig. 5) geführten Signale in der Entkopplungseinrichtung integriert werden mit einer Integrationskonstante, die der Drehzahl des Rotors umgekehrt proportional ist, und
k) die Ausgangssignale der Addierer jeweils über Leistungsverstärker (33 bis 36) zu den Regelspulen (17 bis 20) zugeführt werden.

2. Bearing a rotor, which has a large radial expansion compared to its axial expansion, against a stator with the following features:

a) the rotor ( 10 ) can be tilted about current tilting axes which are perpendicular to its axis of rotation (Z),
b) two oppositely polarized permanent magnet rings ( 21 ) are arranged on the rotor ( 10 ) coaxially with its axis of rotation,
c) the permanent magnet rings ( 21 ) are arranged on the stator ( 1 ) control coils ( 17 to 20 ) distributed around the rotor ( 10 ), which two to each other and on the axis of rotation (Z) perpendicular tilt axes (X and y ) are permanently assigned and which in connection with the permanent magnet rings ( 21 ) can exert moments on the rotor in the sense of a tilting around the permanently assigned tilting axes,
d) there are distance sensors ( 22 to 25 ) distributed around the rotor, the measured values of which indicate the position of the current tilt axis and the associated tilt angle of the rotor,
e) a control and regulating unit ( 26 ) is provided, which has proportional-differential regulators ( 29 ) and a decoupling device ( 31 ) for regulating the current in each regulating coil ( 17 to 20 ) depending on the position of the current tilting axis and the associated tilt angle of the rotor, for stabilizing or adjusting the tilt position of the rotor, wherein
f) the distance sensors ( 22 to 25 ) are connected to the proportional differential controllers, of which
g) a first proportional-differential controller outputs signals that are caused by tilting around one of the permanently assigned tilting axes (X or Y), while a second proportional-differential controller outputs output signals that result from tilting around the other permanently assigned tilting axis (Y or X) are caused
h) for the proportional-differential regulators (29) the gain and the time constant up to a predetermined minimum speed of the rotor (10) is con stant and from this minimum speed, the gain is proportional to the square of the speed of the rotor (10) and the time constant conversely is changed proportionally to this speed,
i) the output signals of the proportional-differential controller are each input signals from one of two adders, to which signals from an output of the decoupling device ( 31 ), which come from the other adder via the decoupling device ( 31 ) are led,
j) the signals conducted via the decoupling device (31, FIG. 5) are integrated in the decoupling device with an integration constant which is inversely proportional to the speed of the rotor, and
k) the output signals of the adders are each supplied to the control coils ( 17 to 20 ) via power amplifiers ( 33 to 36 ).

3. Lagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder fest zugeordne ten Kippachse (X, Y) zwei gegeneinander geschaltete Abstandssensoren (22, 24; 23, 25) auf dem Stator (1) zugeordnet sind.3. Storage according to claim 1 or 2, characterized in that each firmly assigned th tilt axis (X, Y) two mutually connected distance sensors ( 22 , 24 ; 23 , 25 ) on the stator ( 1 ) are assigned.

4. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rotor (10) parallel zur Drehachse (Z) eine Vielzahl von Permanentmagneten (15) angeordnet ist, wobei jeweils benachbarte Permanentmagnete entgegengesetzte Polarität aufweisen, und daß diesen Permanentmagneten gegenüberliegend auf dem Stator (1) wenigstens eine zweiphasige Motorspule (12) angeordnet ist.4. Storage according to one of claims 1 to 3, characterized in that on the rotor ( 10 ) parallel to the axis of rotation (Z) a plurality of permanent magnets ( 15 ) is arranged, each having adjacent permanent magnets having opposite polarity, and that these permanent magnets opposite at least one two-phase motor coil ( 12 ) is arranged on the stator ( 1 ).

5. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rotor (10) parallel zur Drehachse (Z) eine Vielzahl von Permanentmagneten (15) angeordnet ist, wobei jeweils benachbarte Permanentmagnete unterschiedliche Polari tät aufweisen, und daß diesen Permanentmagneten gegenüberliegend auf dem Stator (1) wenigstens eine Dämpferspule (11) angeordnet ist.5. Bearing according to one of claims 1 to 3, characterized in that a plurality of permanent magnets ( 15 ) is arranged on the rotor ( 10 ) parallel to the axis of rotation (Z), each adjacent permanent magnet having different polarity, and that these permanent magnets at least one damper coil ( 11 ) is arranged opposite one another on the stator ( 1 ).

6. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rotor (10) parallel zur Drehachse (Z) eine Vielzahl von Permanentmagneten (15) angeordnet ist, wobei jeweils benachbarte Permanentmagnete unterschiedliche Polari tät aufweisen, und daß diesen gemeinsam genutzten Permanentmagneten auf dem Stator (1) eine Motorspule (12) und eine Dämpferspule (11) gegenüberstehen.6. Bearing according to one of claims 1 to 3, characterized in that a plurality of permanent magnets ( 15 ) is arranged on the rotor ( 10 ) parallel to the axis of rotation (Z), each adjacent permanent magnet having different polarity, and that these together permanent magnets used on the stator ( 1 ) face a motor coil ( 12 ) and a damper coil ( 11 ).

7. Lagerung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Phase der Motorspule (12) aus einem mäanderförmig aufgebrachten Draht (37, 38) und/oder die Dämpferspule (11) aus wenigstens zwei unabhängigen mäanderförmig aufgebrach ten Drähten (37, 38) gebildet ist, wobei die ansteigenden und abfallenden Anteile (39, 40) des Mäanders parallel zur Drehachse (Z) ausgerichtet sind und im wesentlichen den Permanentmagneten (15) gegenüberliegen, während die dazu senkrechten Anteile (13) axial versetzt außerhalb der Permanentmagnete (15) verlaufen, und wobei diese Breite des Mäanders einer Polteilung entspricht, und daß bei der Dämpferspule die Mäander teilweise derart versetzt angeordnet sind, daß die Drehung des Rotors (10) in diesen kein Bremsmoment erzeugt, während jedoch bei translatorischer Bewegung eine Dämpfungskraft für diese Bewegung entsteht.7. Storage according to one of claims 4 to 6, characterized in that each phase of the motor coil ( 12 ) from a meandering wire ( 37 , 38 ) and / or the damper coil ( 11 ) from at least two independent meandering wires ( 37 , 38 ) is formed, the rising and falling portions ( 39 , 40 ) of the meander being aligned parallel to the axis of rotation (Z) and essentially opposite the permanent magnets ( 15 ), while the portions ( 13 ) perpendicular thereto are axially offset outside the permanent magnets ( 15 ) run, and this width of the meander corresponds to a pole pitch, and that in the damper coil the meanders are partially offset such that the rotation of the rotor ( 10 ) does not generate any braking torque in it, but with a translatory movement a damping force for this movement arises.

8. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine radiale Lagerung durch wenigstens ein Magnetlager gebildet wird.8. Storage according to one of claims 1 to 7, characterized in that a radial Storage is formed by at least one magnetic bearing.

9. Lagerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetlager ein passi ves Magnetlager ist.9. Storage according to claim 8, characterized in that the magnetic bearing is a passi ves magnetic bearing.

10. Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Kippmoments die Regelspulen (17 bis 20) am äußeren Umfang des Stators (1) und die Permanentmagnetringe (21) am äußeren Umfang des Rotors (10) angebracht sind. 10. Bearing according to one of the preceding claims, characterized in that the control coils ( 17 to 20 ) on the outer circumference of the stator ( 1 ) and the permanent magnet rings ( 21 ) on the outer circumference of the rotor ( 10 ) are attached to generate the tilting moment.

11. Lagerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (10) an dem Stator (1) mittels eines aktiven Zentrallagers (1, 10, 45 bis 52) gelagert ist, wobei wenigstens zwei den Richtungen (X, Y) der fest zugeordneten Kippachsen zugeordne te Sensoren, bestehend aus Jocheisen (47 bis 50), magnetischem Rückschluß (52) und Elektroden (46), die radiale Position des Rotors (10) erfassen und ihr Ausgangssignal über Leistungsverstärker (64, 65) zur Ausregelung von vom Zentrum des Lagers radial abweichenden Rotor-Positionen jeweils nur einer in jeder Kippachse angeordne ten Spule (51) zur Bildung eines Magnetfeldes zugeführt werden.11. Bearing according to claim 8, characterized in that the rotor ( 10 ) on the stator ( 1 ) by means of an active central bearing ( 1 , 10 , 45 to 52 ) is mounted, at least two of the directions (X, Y) of the fixed assigned tilting axes assigned sensors consisting of yokes ( 47 to 50 ), magnetic yoke ( 52 ) and electrodes ( 46 ), the radial position of the rotor ( 10 ) and their output signal via power amplifiers ( 64 , 65 ) for regulating from the center of the bearing radially deviating rotor positions, only one coil ( 51 ) arranged in each tilt axis is supplied to form a magnetic field.

12. Lagerung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Rück schluß (52) des Rotors (10) tonnenförmig ausgebildet ist.12. Storage according to claim 11, characterized in that the magnetic return circuit ( 52 ) of the rotor ( 10 ) is barrel-shaped.

13. Lagerung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (51a bis 51d) in magnetisch voneinander getrennten 90°-Sektoren angeordnet sind.13. Storage according to claim 12, characterized in that the coils ( 51 a to 51 d) are arranged in magnetically separated 90 ° sectors.

14. Lagerung nach Anspruch 1, 2 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß Abstands sensoren (22 bis 25) und die Sensoren (46 bis 50, 52) kapazitive Sensoren sind.14. Storage according to claim 1, 2 or 11, characterized in that distance sensors ( 22 to 25 ) and the sensors ( 46 to 50 , 52 ) are capacitive sensors.

15. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationskonstante der Entkopplungseinrichtung dem Verhältnis von Axial- zu Kippträgheitsmoment des Rotors (10) proportional ist.15. Bearing according to one of claims 1 or 2, characterized in that the integration constant of the decoupling device is proportional to the ratio of the axial to tilting moment of inertia of the rotor ( 10 ).

16. Lagerung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine sensierte axiale Verschiebung (z) des Rotors (10) über einen Proportional-Differential- Regler (30) parallel den zur Kippregelung vorgesehenen Regelspulen (17 bis 20) zur Axialregelung der Lage des Rotors zugeführt wird.16. Bearing according to one of claims 8 or 9, characterized in that a sensed axial displacement (z) of the rotor ( 10 ) via a proportional differential controller ( 30 ) parallel to the control coils provided for tilt control ( 17 to 20 ) for axial control the position of the rotor is supplied.

17. Lagerung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von den fest zugeordneten Kippachsen (X, Y) zugeordneten Paaren von Abstandssensoren (22, 24; 23, 25) zur Kippwinkelerfassung diese auch als Sensoren für die Axialregelung verwendet werden. 17. Storage according to claim 16, characterized in that when using the permanently assigned tilt axes (X, Y) assigned pairs of distance sensors ( 22 , 24 ; 23 , 25 ) for tilt angle detection, these are also used as sensors for the axial control.

18. Lagerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die den fest zugeordneten Kippachsen (X, Y) zugeordneten, verknüpften Sensorsignale mit einem Faktor (Kp) bewertet den den entsprechenden Regelspulen (17, 19; 18, 20) zugeführten Signalen überlagert werden.18. Storage according to claim 8, characterized in that the associated assigned tilting axes (X, Y), associated sensor signals with a factor (Kp) evaluated the corresponding control coils ( 17 , 19 ; 18 , 20 ) signals superimposed.

19. Lagerung nach den Ansprüchen 8 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Drehzahl des Rotors (10) unabhängigen, integrierten Eingangssignale von Integra tionsgliedern in der Entkopplungseinrichtung (31) mit einem Faktor (D) bewertet und auf den Eingang des jeweiligen Integrationsgliedes zurückgeführt werden.19. Storage according to claims 8 and 18, characterized in that the independent of the speed of the rotor ( 10 ), integrated input signals from integrating elements in the decoupling device ( 31 ) evaluated with a factor (D) and on the input of the respective integrating element to be led back.

20. Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall eines Abstandssensors (22 bis 25) die Struktur der Verknüpfung der Abstandssensorsignale durch eine Adaptions- und Überwachungseinheit (27) so umgeschaltet wird, daß mit den von der Adaptions- und Überwachungseinheit (27) zu ermittelnden verbleibenden drei funktionsfähigen Abstandssensoren (22 bis 25) die Eingangssignale für die drei Regler (29, 30) zur Lagerung des Rotors gebildet werden.20. Storage according to one of the preceding claims, characterized in that in the event of failure of a distance sensor ( 22 to 25 ), the structure of the linkage of the distance sensor signals by an adaptation and monitoring unit ( 27 ) is switched so that with the adaptation and monitoring unit ( 27 ) of the remaining three functional distance sensors ( 22 to 25 ) to be determined, the input signals for the three controllers ( 29 , 30 ) for mounting the rotor are formed.

21. Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall eines der vier Leistungsverstärker (33 bis 36) und/oder Regelspulen (17 bis 2 0) die Struktur der Verknüpfung der aus den Abstandssensorsignalen gewonne nen Regelsignale (α_rep, β_rep, zr) durch eine Adaptions- und Überwachungseinheit (27) so umschaltbar ist, daß mit den von der Adaptions- und Überwachungseinheit (27) zu ermittelnden drei verbleibenden funktionsfähigen Leistungsverstärkern mit den zu gehörigen Regelspulen die Lageregelung des Rotors erfolgt.21. Storage according to one of the preceding claims, characterized in that in the event of failure of one of the four power amplifiers ( 33 to 36 ) and / or control coils ( 17 to 2 0 ) the structure of the linkage of the control signals obtained from the distance sensor signals (α _rep , β _rep , zr) can be switched over by an adaptation and monitoring unit ( 27 ) such that the position control of the rotor takes place with the three remaining functional power amplifiers to be determined by the adaptation and monitoring unit ( 27 ) with the associated control coils.

22. Lagerung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter Verstärkung und Zeitkonstante eines Reglers (69) umschaltbar sind, der den einer fest zugeordne ten Kippachse (X, Y) zugeordneten Spulen (51) vorgeschaltet ist.22. Storage according to claim 11, characterized in that the gain and time constant parameters of a controller ( 69 ) can be switched, which is connected to the coils ( 51 ) associated with a fixed tilt axis (X, Y).